Stœchiométrie d'une combustion
Vérifier expérimentalement la stœchiométrie de la combustion de la paraffine en calculant le rapport entre O₂ consommé et CO₂ produit.
Description détaillée
L'élève réalise plusieurs combustions d'une bougie chauffe-plat dans une enceinte hermétique équipée des capteurs O₂ et SCD40 de FizziQ Connect. Pour chaque essai, il relève les concentrations initiales et finales en O₂ et CO₂, calcule les variations ΔC(O₂) et ΔC(CO₂), puis détermine le rapport expérimental n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂). En comparant la moyenne des rapports expérimentaux avec la valeur théorique n_att = 38/25 = 1,52, il vérifie la stœchiométrie et discute les écarts liés à la combustion incomplète. L'application FizziQ Connect assure l'acquisition synchronisée des deux capteurs à intervalle réglable via le boîtier M5 Stack, et permet de consigner l'hypothèse initiale et les résultats de chaque essai dans le cahier d'expérience intégré.
Objectifs pédagogiques
- Interpréter une équation chimique équilibrée en termes de proportions moléculaires
- Calculer un rapport stœchiométrique théorique à partir des coefficients d'une équation
- Exploiter des mesures expérimentales pour déterminer un rapport stœchiométrique expérimental
- Comparer un résultat expérimental à une valeur théorique et analyser les écarts
- Développer un esprit critique face aux résultats expérimentaux (combustion complète vs incomplète)
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Capteurs
- Capteur O₂
- Capteur SCD40
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Noter l'hypothèse initiale sur le rapport O₂/CO₂, ainsi que les concentrations relevées et les calculs pour chaque essai.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ Connect (mise en œuvre proposée pour l'acquisition des concentrations)
- Boîtier M5 Stack avec Hub multiports
- Capteur SCD40 (CO₂, température, humidité)
- Capteur O₂ (DFRobot)
- Enceinte hermétique résistante à la chaleur (bocal en verre avec couvercle étanche)
- Bougie chauffe-plat (plusieurs, pour les essais répétés)
- Briquet ou allumettes
- Cahier et calculatrice pour les calculs
- ⚠️ Sécurité : cette expérience se fait sous la surveillance de l'enseignant. La combustion en enceinte fermée produit un peu de monoxyde de carbone : ouvre l'enceinte à bout de bras, ne respire pas directement l'air qu'elle contient et aère la pièce entre les essais. Attention aussi au verre chaud après l'extinction de la bougie, et attache les cheveux longs avant d'allumer la flamme.
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'acquisition de concentration de gaz comparable.
Protocole expérimental
Avant de commencer, fais une hypothèse : d'après l'équation de combustion, combien de fois plus d'O₂ sera consommé que de CO₂ produit ? Note ta prédiction dans ton cahier d'expériences.
Installe le dispositif expérimental : capteurs O₂ et SCD40 fixés dans l'enceinte hermétique via le Hub multiports, connectés au boîtier M5 Stack. Connecte FizziQ Connect via Bluetooth.
Avant toute combustion, note les concentrations initiales de référence dans l'air ambiant : C_ini(O₂) en % et C_ini(CO₂) en ppm.
Fixe une bougie chauffe-plat au fond de l'enceinte. Configure l'intervalle de mesure à 250 ms sur le M5 Stack (MENU → Intervalle → 250 ms).
Lance l'enregistrement (REC), allume la bougie et ferme rapidement le couvercle de l'enceinte.
Laisse la combustion se dérouler jusqu'à l'extinction de la bougie. Attends encore 1 à 2 minutes que les concentrations se stabilisent complètement.
Stoppe l'enregistrement (STOP). Relève les concentrations finales : C_fin(O₂) en % et C_fin(CO₂) en ppm.
Calcule les variations : ΔC(O₂) = C_fin(O₂) - C_ini(O₂) (valeur négative car l'O₂ diminue) et ΔC(CO₂) = C_fin(CO₂) - C_ini(CO₂) (valeur positive car le CO₂ augmente).
Calcule le rapport expérimental : n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂). Le facteur 10⁴ convertit les % en ppm pour que les unités soient cohérentes.
Ouvre l'enceinte sous la surveillance de l'enseignant, ventile bien la pièce, replace une bougie neuve et renouvelle l'opération. Réalise entre 6 et 10 essais au total (en classe, répartis-les entre plusieurs groupes pour constituer une série commune).
Calcule la valeur moyenne n_exp,moy après avoir écarté les éventuelles valeurs aberrantes. Compare cette moyenne avec la valeur théorique n_att = 38/25 = 1,52 et discute les écarts.
Résultats attendus
Les valeurs typiques observées sont : O₂ initial ≈ 20,9 %, O₂ final ≈ 15-16 %, soit ΔC(O₂) ≈ -5 %. CO₂ initial ≈ 400-800 ppm, CO₂ final ≈ 25 000 ppm, soit ΔC(CO₂) ≈ 24 000-25 000 ppm. Le rapport expérimental n_exp est généralement supérieur à la valeur théorique de 1,52, typiquement entre 1,6 et 2,2. Cet écart s'explique par la combustion incomplète : une partie du carbone forme du monoxyde de carbone (CO) ou de la suie au lieu de CO₂. La quantité de CO₂ produite diminue alors plus fortement que la quantité d'O₂ consommée (l'hydrogène de la paraffine continue en effet de consommer de l'O₂ pour former de l'eau), ce qui augmente le rapport O₂ consommé / CO₂ produit. La reproductibilité entre les essais est modérée en raison des fluctuations du capteur O₂ et des variations d'herméticité. Note également que le capteur SCD40 n'est spécifié en précision par son constructeur qu'entre 400 et 2 000 ppm : au-delà (et notamment vers 25 000 ppm), il fournit encore une valeur, mais avec une précision non garantie. La vapeur d'eau et la chaleur dégagées par la combustion peuvent aussi biaiser la mesure. Le rapport n_exp obtenu est donc un ordre de grandeur — ce qui suffit largement pour la discussion sur la combustion complète et incomplète.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi le rapport expérimental n_exp est-il généralement supérieur à la valeur théorique n_att = 1,52 ?
- Comment la combustion incomplète modifie-t-elle le bilan en O₂ consommé et CO₂ produit ?
- Que signifie « équilibrer une équation chimique » et quel principe fondamental cela traduit-il ?
- Comment pourrait-on améliorer le protocole pour se rapprocher de la valeur théorique ?
- Si l'on réalisait la combustion dans une atmosphère de dioxygène pur, le rapport expérimental serait-il plus proche de 1,52 ? Pourquoi ?
- Pourquoi est-il important de répéter l'expérience plusieurs fois et de calculer une moyenne ?
Explications scientifiques
L'équation de la combustion complète de la paraffine s'écrit : C₂₅H₅₂ + 38 O₂ → 25 CO₂ + 26 H₂O . Elle est dite équilibrée car le nombre d'atomes de chaque élément est le même de chaque côté : 25 atomes de carbone, 52 atomes d'hydrogène et 76 atomes d'oxygène. Les coefficients stœchiométriques (1, 38, 25, 26) indiquent les proportions moléculaires de la réaction. Ils signifient que la combustion d'une molécule de paraffine nécessite 38 molécules d'O₂ et produit 25 molécules de CO₂ et 26 molécules d'H₂O.
Le rapport théorique n_att = 38/25 = 1,52 (coefficient stœchiométrique de O₂ divisé par celui de CO₂) représente le nombre de molécules d'O₂ consommées pour chaque molécule de CO₂ produite lors d'une combustion complète. Pour calculer le rapport expérimental, il faut convertir les unités. L'O₂ est mesuré en % et le CO₂ en ppm. Comme 1 % = 10 000 ppm , on utilise la formule : n_exp = -ΔC(O₂) × 10⁴ / ΔC(CO₂) .
Le signe moins compense le fait que ΔC(O₂) est négatif (l'O₂ diminue). En pratique, le rapport expérimental est souvent supérieur à 1,52 . Cela signifie que plus d'O₂ est consommé que prévu par rapport au CO₂ produit. L'explication est la combustion incomplète : une partie du carbone ne forme pas du CO₂ mais du monoxyde de carbone (CO) ou reste sous forme de carbone solide (suie) .
Dans la flamme d'une bougie, seule la base bleue correspond à une combustion complète. La zone jaune lumineuse contient des particules de carbone incandescentes (suie), preuve que la combustion y est incomplète par manque local d'O₂. La conservation des atomes est le principe fondamental qui permet d'équilibrer une équation chimique. Au cours d'une transformation chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits : ils sont redistribués pour former de nouvelles molécules.
C'est la loi de Lavoisier. Réaliser plusieurs essais (6 à 10) et calculer une valeur moyenne permet de réduire l'influence des erreurs aléatoires. Écarter les valeurs aberrantes et estimer l'incertitude de mesure fait partie de la démarche scientifique rigoureuse.
Remarque pour aller plus loin : les concentrations en % et en ppm sont des fractions du gaz total contenu dans l'enceinte. Comme la combustion modifie légèrement cette quantité totale (l'eau formée se condense sur les parois, et la température varie pendant l'essai), le rapport mesuré comporte une petite erreur systématique supplémentaire, de l'ordre de 1 %. Elle est négligeable devant l'effet de la combustion incomplète, qui domine largement l'écart observé.
Pour prolonger : la Fondation La main à la pâte propose une discussion accessible de la combustion d'une bougie en bocal fermé, et une note sur les produits de combustion — dont la formation de CO en enceinte fermée.
Extensions possibles
- Réaliser la même expérience avec de l'éthanol (C₂H₆O) dont la combustion complète s'écrit C₂H₆O + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O (rapport théorique n_att = 1,50) et comparer
- Faire varier le volume de l'enceinte et observer si le rapport stœchiométrique change
- Enrichir l'enceinte en O₂ avant la combustion pour favoriser la combustion complète et vérifier si n_exp se rapproche de 1,52
- Comparer les résultats obtenus avec une petite bougie et une grande bougie dans la même enceinte
- Réaliser une synthèse orale de 3 minutes présentant le contexte, la problématique, la démarche et les conclusions avec esprit critique
Questions fréquentes
Le rapport n_exp varie beaucoup d'un essai à l'autre.
C'est normal, plusieurs facteurs introduisent de la variabilité : la précision limitée du capteur O₂ (de l'ordre de quelques dixièmes de % à ± 1 % selon la calibration), la qualité de l'herméticité de l'enceinte, la position des capteurs par rapport à la flamme, et la proportion variable de combustion complète/incomplète. C'est pourquoi il faut réaliser 6 à 10 essais et calculer une moyenne.
Pourquoi faut-il multiplier ΔC(O₂) par 10⁴ dans la formule ?
Parce que l'O₂ est mesuré en % et le CO₂ en ppm. Pour comparer ces deux variations, il faut les exprimer dans la même unité. Comme 1 % = 10 000 ppm, on multiplie la variation en % par 10⁴ pour obtenir des ppm.
Le rapport théorique devrait-il être exactement vérifié ?
Non, car la combustion d'une bougie n'est jamais totalement complète. Une partie du carbone forme du CO ou de la suie au lieu du CO₂, ce qui fait que le rapport O₂ consommé / CO₂ produit est supérieur au rapport théorique de la combustion complète. C'est d'ailleurs une des conclusions importantes de cette activité.
Comment savoir si une valeur est « aberrante » et doit être écartée ?
Une valeur aberrante est une mesure qui s'écarte nettement des autres (par exemple, plus de 2 fois l'écart moyen entre les mesures). Elle est souvent due à un incident expérimental (mauvaise herméticité, capteur mal stabilisé). On la note mais on ne l'inclut pas dans le calcul de la moyenne.
Prêt à commencer ?
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